【発明の詳細な説明】
破損前に警告するポンプダイヤフラム
発明の分野
本発明は、可撓性の薬品バリヤに使用するための破損検出メカニズムに関する
。本発明は、ポンプに使用されるようなダイヤフラムに漏えいが生じる前の、差
し迫った破損の検出にとりわけ適する。
発明の背景
ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のような耐薬品性材料のバリヤ層は
、機器又は装置の損傷されやすい部品を酸又は他の化学物質の腐食作用から保護
するために、工業的に広く使用されている。このような用途の一つは、空気又は
電気的に駆動されるダイヤフラムポンプに通常使用されるポンプのダイヤフラム
である。この用途において、ゴム部品単独では早期の破損を生じるさせるであろ
う物質から内側のゴムダイヤフラムを保護するため、外側の耐薬品性上張り用ダ
イヤフラムが通常使用される。この他の場合、この耐久性材料は、ダイヤフラム
構造の単独の材料を提供する。
いずれの場合にも、ダイヤフラムの繰り返しの屈曲は、結局はダイヤフラムの
破損を生じさせる。ＰＴＦＥが１層の場合、ネオプレンのような一般に使用され
るゴムよりも早期にＰＴＦＥが疲労し、これらの場合、ＰＴＦＥが最初に損傷す
る。ダイヤフラムの疲労は、腐食性物質と接触することになるようには設計され
ていないポンプの一部分に、腐食性物質の侵入をもたらすことがある。多くの場
合、腐食性物質はポンプに被害をもたらす。空気駆動式ポンプの場合、腐食性物
質は空気の流れと混じり合うことが多く、その結果周
囲に侵入し、損害や傷害をもたらす可能性がある。このため場合により、高価な
封じ込めシステムが採用される。
漏えいが生じた場合その漏えいを検出し、事後的にそれを封じ込める検討がな
されてきた。導電率センサーを備えた漏えい検出チャンバーがポンプ自身の中に
組み込まれてもよいが、より高価なポンプの設計と、追加の検出チャンバーを隔
てるための追加のダイヤフラムを必要とすることになる。
Ｍｙｒｏｎ Ｍａｎｔｅｌｌの米国特許第４５６９６３４号明細書において、
ダイヤフラム本体の内側に金属又はグラファイトの検出器が埋設されている。ダ
イヤフラムに亀裂が入ると、ポンプ輸送されている流体にグラファイトが接触す
る。この流体は導電性流体であり、生じる電流の変化が検出される。しかしなが
ら、この米国特許第４５６９６３４号の方法は、導電性繊維のメッシュ、スクリ
ーン又はウェブを必要とし、このことは長期の屈曲寿命を有するダイヤフラムの
製造を困難にさせるであろう。さらに、この特許はポンプ輸送されている媒体が
導電性であることを必要とし、このためこの発明の利用性が制約される。
ＦｒａｗｌｅｙとＭｅａｒｎｓの米国特許第４７８１５３５号明細書は別な方
法を開示しており、連続的な回路線材がダイヤフラムの中に支持されている。ダ
イヤフラムが損傷した場合、線材が断ち切られ、アラームを作動させる。しかし
ながら、この特許は、線材組成物を重要視しておらず、金属質又はスチールを開
示しているに過ぎない。ＰＴＦＥダイヤフラムと共存すると、金属はダイヤフラ
ムと異なる期間で損傷する傾向にあり、満足できる警告を提供しないであろう。
発明の要旨
上記のメカニズムと異なり、本発明はダイヤフラム中に埋設された導電性スト
ランドを提供し、このストランドは、応力に供されているときに電気的特性の変
化を受ける。導電率の変化が、導電性ストランドに電気的に接続された電気的監
視用デバイスによって記録される。所定の基準から逸れた導電率の変化を観測す
ることにより、ダイヤフラムの疲労又は磨耗が検出されることが可能である。
好ましい形態において、導電性ＰＴＦＥで作成された細い可撓性の導電性繊維
が、ＰＴＦＥで作成された薬品バリヤのシート又は成形体の中に埋設される。こ
こで良好な屈曲特性を有して薬品に対して優れたバリヤ層であるＰＴＦＥシート
が使用されることができ、それ自身で又はゴムに結合されて、十分に機能性なダ
イヤフラムを形成することができる。導電性繊維が、螺旋状若しくは二重螺旋状
又はジグザグ形あるいはこの他の横行パターンでダイヤフラムの実質的に全領域
を覆うように敷設されると、ダイヤフラムの外に出して電気的検出回路に接続さ
れることができる。ダイヤフラムに疲労や表面応力クラックのような亀裂が生じ
た場合、その繊維は適切な電子的手段によって導電率の変化を検出することがで
きる。１つの態様において、導電性繊維がダイヤフラム自身と同様な材料から作
成され、両方がＰＴＦＥから作成され、ダイヤフラムの屈曲寿命は繊維のそれと
一般にほぼ同じであることができる。
図面の説明
図１は、ダイヤフラムから突き出た電気リード線を示す典型的なダイヤフラム
の三次元的図を示す。
図２は、ダイヤフラムを上から見た図であり、ダイヤフラム内の電気配線の１
つの構成を示す（破線で示す）。
図３は、別の上から見た図であり、電気配線の別な構成を示す。
図４は、さらに別の上面図であり、さらに別な電気配線の構成を示す。
図５は、図１の５−５にそって見たポンプダイヤフラムの一部分の横断面を示
す。
図６は、本発明に有用な２種の導電性ワイヤーの線形張力に対する抵抗の百分
率を示すグラフである。
発明の説明
本願において、用語「ダイヤフラム」は、２種の流体を収容する区画を分割す
る可撓性エレメントを意味する。好ましい態様において、ＰＴＦＥ又はラミネー
ト（その１層がＰＴＦＥ）は、ＰＴＦＥ層の中に埋設された導電性ＰＴＦＥ繊維
を有する。このＰＴＦＥ繊維は、導電性フィラーの例えば金属、金属酸化物又は
導電性カーボンをその中に充填することによって、あるいはその繊維をメッキす
ることによって導電性にされることができる。図１は、ポンプに取り付けるため
の穴13を有する典型的なダイヤフラム10を示す。このダイヤフラムは、ＰＴＦＥ
層11と可撓性エラストマー層12の２層複合材である。リード線14がＰＴＦＥ層11
から突き出ている。リード線14は適当な電子的監視用手段に取り付けられること
ができ、電気回路の機構の破壊を記録する。
繊維は、ダイヤフラムの使用寿命の終わりの頃に損耗に影響されるであろうよ
うに、好ましくはＰＴＦＥ層の前面よりも後面に近く配置される。１つの態様に
おいて、３５ミル（０．８９ｃｍ）のＰＴＦＥダイヤフラムの中の２５ミルの深
さに、この繊維が配置される。このことは、応力クラックの検出について安全の
余裕（１０ミル、０．０２５ｃｍ）を与え、何らかの漏えいの前にダイヤフラム
が交換されることができる。
繊維は、表面の殆どを２次元的に覆うようにパターンを形成され、この結果、
ダイヤフラムへの何らかの侵入やクラックは、必然的に繊維の損傷に結びつくこ
とができる。１つの有用なパターンは、図３に示されるように、中央で一緒に短
絡された繊維ペアの渦巻である。このようなダイヤフラムに最も一般に見られる
損傷が、ダイヤフラムの面から発生し、ダイヤフラムの屈曲部分において放射状
にゴム裏地の方向に内側に進行する１本以上のクラックであるため、このパター
ンは有用である。従って、導電性繊維の渦巻パターンは全ての放射状クラックと
交差することができる。別な態様のパターンとしては、図４に示されるような横
引きの並びがあるが、図２に示されるようなその他の幾何学形状も可能である。
また、いずれの場合にも、電子的回路と低電圧電源との接続を可能にするため、
繊維はダイヤフラム14のエッジを通り過ぎる。ウィイドウコンパレーター回路（
ｗｉｎｄｏｗ ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ）は周知であり、導
電性線材の導電率の増加又は低下の何らかの変化を検出するに特に有用である。
本発明は任意の可撓性ダイヤフラムに適用できるが、ポリテトラフルオロエチ
レン（ＰＴＦＥ）の表面層と空気圧側の弾性エラストマー層の複合材であるダイ
ヤフラムに特に適用可能である。
ＰＴＦＥ層は、好ましくは緻密なＰＴＦＥの層であり、最大密度のＰＴＦＥ又
は緻密化された延伸ＰＴＦＥのいずれかである。最大密度のＰＴＦＥの例は、薄
く切削したＰＴＦＥである。緻密化ＰＴＦＥは、多孔質ＰＴＦＥを圧縮すること
によって作成されることができる。このＰＴＦＥ材料は、不活性な外側表面を有
する複合ダイヤフラムを提供し、それによってダイヤフラムの耐久性と耐薬品性
を向上させる。充実ＰＴＦＥ層の他方の表面は、弾性エラストマー材料に接着さ
れる。所望により、この内側のもう一方の表面を例え
ばアルカリナフタネートで処理し、ＰＴＦＥの表面エネルギーを高め、それによ
って強化可撓性複合材に対するその接着性を高めることができる。
可撓性エラストマー層は、熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー又は
１４００Ｍｐａ未満の曲げ弾性率（ＡＳＴＭ Ｄ７９０−８４Ａ）を有する熱可
塑性ポリマーでよい。
熱硬化性エラストマーは、ペルフルオロエラストマーを含むフルオロエラスト
マー、シリコーン成分含有フルオロエラストマー、ニトリルエラストマー、アク
リルエラストマー、オレフィンジエンエラストマー、クロロスルホン化ポリエチ
レンエラストマー、ポリクロロプレンエラストマー、ブチルエラストマー、ハロ
ゲン化ブチルエラストマー、スチレンブタジエンエラストマー、ポリジエンエラ
ストマー又はシリコーンエラストマーなどでよい。
熱可塑性エラストマーは、コポリエーテルエステルエラストマー、ポリウレタ
ンエラストマー、スチレンポリオレフィンブロックコポリマーエラストマー、ポ
リアミドエラストマー又はエチレンコポリマーエラストマーなどでよい。
１４００Ｍｐａ未満の曲げ弾性率（ＡＳＴＭ Ｄ７９０−８４Ａ）を有する熱
可塑性樹脂は、フッ化熱可塑性樹脂の例えばテトラフルオロエチレンのコポリマ
ー、フッ化ビニリデンのコポリマー、クロロトリフルオロエチレンのコポリマー
、ポリオレフィン又は可塑化ポリ塩化ビニルなどから選択されることができる。
ＰＴＦＥ層は、例えば十分な量の熱と圧力を与えるような任意の公知の手段に
よって弾性エラストマー層に接着させることができる。ダイヤフラムは、ＰＴＦ
Ｅ／エラストマー複合材を所望形状の型の中に配置して熱と圧力を施すことによ
って作成されたリブを含むことができる。
導電性フィラーを含む繊維は、好ましくはカーボンを充填され、好ましくは延
伸膨張多孔質ポリテトラフルオロエチレンで作成された繊維である。所望により
、このＰＴＦＥは、米国特許第３９５３５６６号、同４１８７３９０号、同３９
６２１５３号において教示されているようなフィブリルによって相互接続された
ノードの構造を有する延伸膨張多孔質ＰＴＦＥであることができる。
この繊維は多数の方法によって得られることができ、例えば先ずＰＴＦＥのフ
ィルムを作成する。このフィルムは、本出願人の米国特許出願第９１５４８４号
に開示のようにして、微細粉末ＰＴＦＥ樹脂にミネラルスピリットを混合し、次
いで導電性粒状フィラーを添加し、微細粉末ＰＴＦＥ樹脂と導電性粒状フィラー
の配合物を得ることにより作成されることができる。水分散系のＰＴＦＥ樹脂に
導電性粒状フィラーが混合されることができ、その水分散系を高速剪断すること
によって、あるいは塩、酸、ポリエチレンイミンなどでその水分散系を不安定化
させることによって、その混合物を共凝固させる。次いで微細粉末ＰＴＦＥ樹脂
と導電性粒子の凝塊が生成され、乾燥してケーキにされる。乾燥の後、このケー
キは粉々に崩され、ミネラルスピリットで潤滑され、ブレンドされて配合物が生
成する。
次いで上記のいずれかの配合物がビレットに圧縮されることができ、続いてラ
ム式押出機によってダイを通して押出され、凝集性の押出物が得られる。次いで
この凝集性押出物が一対のカレンダーロールの間で圧縮され、その厚さを低下さ
せる。ミネラルスピリットの沸点より高く設定された一連の加熱ローラーの上に
押出物を通すことにより、圧延された押出物からミネラルスピリットが除去され
る。
次いでＧｏｒｅの米国特許第３９５３５６６号に教示されている
一般的な方法によって、そのドライな押出物は延伸膨張されることができる。こ
のドライな凝集性の圧延された押出物は、先ず３５〜３２７℃の温度で１０％／
秒より大きい伸長速度で、縦方向にその元の長さの１．２倍〜５０００倍、好ま
しくは２倍〜１００倍に１軸で迅速に伸長されることができる。このプロセスは
、その中に導電性粒状フィラーが分布した連続的なフィルム状の延伸膨張多孔質
ＰＴＦＥマトリックスを生成する。
次にこのフィルムは所望の幅にスリットされることができ、実質的に長方形の
断面を有する連続的なスリットされたフィルム繊維が生成する。次いでこの連続
的なスリットされたフィルム繊維は、やはりＧｏｒｅの米国特許第３５４３５６
６号に教示されている一般的な伸長方法によって、縦方向にその長さの５０倍ま
で伸長されることができる。この２回目の伸長工程は、ｅＰＴＦＥマトリックス
の高められた配向によって、得られた繊維の強度を増加させる。伸長の合計のレ
ベルは、ＰＴＦＥマトリックスにフィラーが充填されている度合いの関数であり
、粒状フィラーの割合が高い程、連続的なスリットされたフィルム繊維は少ない
程度に伸長される。
続いてアモルファス固定工程を行うため、この連続的なスリットされたフィル
ム繊維は３４２℃を超える温度に供されることができる。この基本手順は、やは
りＧｏｒｅの米国特許第３５４３５６６号に教示されている。繊維が縦方向に十
分に拘束されると、アモルファス固定工程は、延伸膨張された連続的なスリット
されたフィルム繊維の強度と密度をさらに増加させる。
あるいは、Ｍｏｒｔｉｍｅｒ．Ｊｒの米国特許第４９８５２９６号に教示のよ
うに、スリットする前に、例えば隣接ニップローラーの使用によって、連続的な
フィルム状のｅＰＴＦＥマトリックスは圧縮され緻密化されることができる。圧
縮と緻密化は、個々の導電
性粒状フィラー粒子の間の接触を増加させ、それによって連続的なフィルム状の
ｅＰＴＦＥマトリックスの導電率を増加させる。連続的なフィルム状の薄いｅＰ
ＴＦＥマトリックスの強度を高めるため、凝集性押出物の多数の層が縦方向に重
ねられ、互いに結合して圧延され、層状物品を形成することもできる。続いてこ
の層状物品は乾燥、延伸膨張、及び緻密化され、ｅＰＴＦＥマトリックスの単一
層から作成された同様な薄いｅＰＴＦＥマトリックスに比較して、より高強度の
薄いｅＰＴＦＥマトリックスを生成する。次いでこの薄いｅＰＴＦＥマトリック
スは、前記のアモルファス固定工程に供されることができる。次いで連続的なフ
ィルム状の薄いｅＰＴＦＥマトリックスは、フィルムを切断するためのスリッタ
ー又は同様な手段によって所望の幅にスリットされ、実質的に長方形の断面を有
する薄い連続的な繊維を生成することができる。
このような繊維が作成された後、緻密化によってその導電率が高められること
ができる。好ましくは、緻密化は、繊維をその中心縦軸の周りに撚りを入れるこ
とによって行われる。得られた撚りを入れられた繊維は、同様な撚りを入れられ
ていない繊維よりも緻密であり、より丸く見える。その上、撚りを入れられた繊
維は、同様な圧縮されて撚りを入れられていない繊維に比較して、引張に供され
たとき、その体積抵抗率のより高度な維持を示す。加撚は、１ｃｍあたり１〜１
８の撚りを含むことができ、１ｃｍあたり４〜１１の撚りが好ましい。その他の
導電性エレメントに勝る撚りを入れた導電性繊維を採用する相対的な長所は、図
６のグラフに示されている。図６は、２種の異なる導体サンプルの線形張力に対
する抵抗変化の割合（％）を示しており、線26は通常の平坦な充填材入りｅＰＴ
ＦＥ導電性繊維についてのプロットであり（即ち、張力の増加と共に抵抗の増加
を示している）、線30は撚りを入れられたｅＰＴＦＥ
繊維のプロットである（即ち、張力の増加と共に抵抗の低下を示している）。加
撚は、標準的な繊維加撚機で行われることができる。
この方法によって、例えば６５０００ｋＰａ以上の引張強度と１×１０3Ω・
ｃｍ以下の体積抵抗率、６５０００ｋＰａ以上の引張強度と１０Ω・ｃｍ以下の
体積抵抗率、及び２０００００ｋＰａ以上の引張強度と１×１０3Ω・ｃｍ以下
の体積抵抗率のような広範囲なバルク引張強度と体積抵抗率を有する繊維が作成
されることができる。引張強度は、ＡＳＴＭ標準Ｄ８８２−８１に記載の方法を
用いて測定されることができる（即ち、最大の縦方向の荷重を試験片の元の横断
面積で割算して計算される）。行った試験は、試験される材料について、刊行さ
れている試験法に変更を加えた。ＡＳＴＭ Ｄ８８２−８１は、薄いプラスチッ
クシートについての試験であり、繊維についてのものではない。この相違は、サ
ンプルの寸法によるものである。繊維の太さはスナップゲージによって測定され
る。正確な厚さを求めるため、スナップゲージの押さえ足部でサンプルを押し潰
さないように注意する。光学顕微鏡で測定することにより、サンプルの幅を求め
る。サンプルは、一定速度でグリップが離れる機器によって、破断するまで試験
される。サンプルの最大荷重での力が測定される。繊維の体積抵抗率は、ＡＳＴ
Ｍ Ｄ２５７−９０「絶縁性材料の直流抵抗又はコンダクタンスについての標準
試験法」に記載の方法を用いて測定されることができる。
ダイヤフラムのＰＴＦＥ層に繊維を埋設するため、繊維は、ＰＴＦＥシートの
表面上に所望のパターントレースで配置される。次いでもう１枚のＰＴＦＥシー
トが上に配置される。次いでこのアセンブリーはバッグ又は他の可撓性コンテナ
の中に配置され、真空に引かれる。次いでそのコンテナは加熱され、外的圧力を
加えられ、繊維を内側に囲んで２枚のＰＴＦＥシートを一体に結合させる（同じ
仕方で緻密化された伸長ＰＴＦＥが作成され得る）。
次いで得られた生成物はダイヤフラムに成形されることができ、又はネオプレ
ンゴムのような伸縮性シートにラミネートされることができる。
使用において、リード線14の１本に電流が印加され、繊維を通って電流が流れ
る。電流が監視され、破断が生じた場合、電流の流れは止まり、適当な装置によ
って検出される。さらに、ポンプ輸送されている液体からダイヤフラムへの圧力
に由来する電気的変化について、電流が監視されることができる。このことは、
圧力が繊維の物理的寸法を一時的に変化させることによる、導電率又はインピー
ダンスの変化によるものである。
ダイヤフラムの状態の周期的又は定常的監視が可能である。例えば、最初に装
着されたとき、ダイヤフラムを通して電流を印加することによって、ベースライ
ンの電気信号が測定されることができる。その後に２回目の信号の読みを得るこ
とにより、ベースライン信号と２回目の信号を比較し、何らかの変化が生じてい
るかを確認することができる。次いでダイヤフラムの使用上の特性を図表化する
ため、変化の測定と定量が利用されることができる。さらに、性能パターンを確
立することにより、ダイヤフラムがその使用寿命の終期に近づいている時を予想
することもできる。
これらの原理を用い、多数の監視技術が実施可能である。多数の並列ポンプの
条件に即時的フィードバックを与えることができるモニターのネットワークを確
立することが可能であり、適当な導管とコンピューター制御のバルブ操作を用意
することにより、第１ラインのダイヤフラムの破損が検出されることができ、装
置を全く停止させることなく、欠陥のあるダイヤフラムを迂回して並列の第２ラ
インに流れが自動的に導かれることができる。次いで欠陥のあるダ
イヤフラムの交換が必要なことを、信号によって運転者に通報することができる
。
同様に、圧縮力及び／又は張力に応答性の導電性繊維を用い、ダイヤフラムの
装着前にベースライン信号が測定されることができる。装着の後、運転中に加え
られている圧力値を判断するために、ダイヤフラムの電気的特性の変化が利用さ
れることができる。この仕方において、ダイヤフラムへの圧力値は容易に定量さ
れることができる。
電気的監視装置は、導電性繊維の電気的特性の何らかの定量測定を提供するこ
とができる任意の適切な形態を取ることができる。その好ましい形態において、
電気装置は、単に導電率又はインピーダンスなどの測定値を提供するアナログ又
はデジタルの計器又は信号発生デバイスを含む。
〔繊維の調製〕
次の方法において導電性繊維を作成した。
水分散系の中の８５重量％の微細粉末ＰＴＦＥ樹脂と、１５重量％の導電性カ
ーボンブラック（アクゾ化学から入手したケッチェンブラック３００−Ｊ）の混
合物を作成した。先ず脱イオン水の中のカーボンブラックのスラリーを作成し、
回転翼を用いて攪拌した。微細粉末のＰＴＦＥ水分散系（ＩＣＩアメリカ社から
入手したＡＤ−０５９）を添加し、カーボンブラックとＰＴＦＥを共凝固させた
。乾燥の後、凝塊に或る量の無臭ミネラルスピリットを配合機中で混ぜ、配合物
を作成し、その配合物をビレットに圧縮し、そのビレットを押出して凝集性押出
物を作成した。
この凝集性押出物をカレンダーロールの間で圧縮し、次いで無臭ミネラルスピ
リットを蒸発させた。続いてドライの凝集性の圧延さ
れた押出物を２７０℃の温度にて２：１の比で延伸膨張させた。
このドライの凝集性の圧延された押出物を１組の間隔を設けた刃の間を通過さ
せることにより、このドライの凝集性の圧延された押出物を幅７．６ｍｍにスリ
ットした。次いでこのスリットされた凝集性押出物を縦方向に１９．２：１の比
で１軸に延伸膨張させ、続いて３４０℃を超える温度にそれを曝すことによって
アモルファス固定工程に供した。例
約２フィート×３フィート×厚さ１０ミルの最大密度のＰＴＦＥシート上に、
Ｗ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ社から入手したカーボン充填材入
り（１５重量％）ｅＰＴＦＥ糸の連続的渦巻のパターンを手で作成し、追加の１
０ミルのＰＴＦＥをその上に乗せた。渦巻のリード線部分は、各側のポリイミド
フィルムのストリップによってＰＴＦＥとの接触から保護した。このアセンブリ
ーを２枚の鋼板の間に配置し、ポリイミドフィルムで作成されたバッグの中に封
入した。バッグの中を真空に引く手段を用意し、このアセンブリーをオートクレ
ーブの中に装入した。オートクレーブのチャンバーの中に２５０ｐｓｉの圧力を
加えながら、バッグを水銀柱２９インチの減圧に吸引した。温度を約３７０℃に
上げた。このようにして、ＰＴＦＥは１枚の２０ミルのシートに一体に焼結され
、カーボン充填材入り繊維は中央に埋設された。
メリーランド州のエルクトンにあるＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ ＆ Ａｓｓｏｃｉａｔ
ｅｓ社から商標ＴＥＴＲＡ−ＥＴＣＨとして市販されているアルカリナフタレー
ト溶液の中に３０秒間浸すことにより、前記のシートを食刻した。得られたシー
トから、カーボン充填材入り渦巻を含む直径１０インチの円形の片を切り出し、
結合剤（ペン
シルバニア州のＥｒｉｅにあるＬｏｒｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手した
Ｃｈｅｍｌｏｋ２５０）の３０％トルエン溶液をブラシで施し、乾燥に供した。
同じ寸法に切断された伸縮性ポリマー（デラウェア州のウィルミントンにある
Ｅ．Ｉ．ＤｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ＆ Ｃｏ．より入手したネオプ
レンＧＫを基礎にしたネオプレン化合物）の厚さ４．２ｍｍの層を、ＰＴＦＥ表
面に予め施しておいた接着剤に適用した。この伸縮性材料のポリマーを、９３℃
に加熱された熱盤プレスの中に約３０秒間配置することにより、ＰＴＦＥ表面に
接着させた。
得られた前もっての形成物をダイヤフラム型に入れた。この型を熱盤プレスの
中に配置し、１７０℃の温度で７５８０Ｍｐａを２０分間この複合材に適用した
。７０℃に達するまで圧力下に維持しながらこの型を冷却した。
得られたダイヤフラムを型から取り出し、最終成形品から全ての余剰の材料を
切り取った。次いでこの成形品を、６６サイクル／分の速度で１２７ｃｍの水頭
に対して４００Ｎの空気圧力によって駆動されるＷｉｌｄｅｎ Ｍ−４ポンプに
装着した。リード線を手持ち抵抗メーターに接続した。抵抗は０．０３メグオー
ムと測定された。抵抗が２０メグオームまで急に上がるまでダイヤフラムを運転
し、その時点でポンプを分解し、ダイヤフラムを検査した。検査により、ダイヤ
フラムに数本の厳しい放射状の折れしわが発生しており、導電性繊維の部分的切
断が生じていたことが分かった。ポンプは２８９０００サイクル運転されていた
。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a failure detection mechanism for use in flexible drug barriers. The invention is particularly suitable for detecting imminent damage before a diaphragm such as used in a pump leaks. BACKGROUND OF THE INVENTION Barrier layers of chemically resistant materials such as polytetrafluoroethylene (PTFE) are widely used in the industry to protect sensitive components of equipment or devices from the corrosive effects of acids or other chemicals. in use. One such application is in pump diaphragms commonly used in air or electrically driven diaphragm pumps. In this application, an outer chemical resistant overlay diaphragm is commonly used to protect the inner rubber diaphragm from materials that would otherwise prematurely damage the rubber component. In other cases, the durable material provides the sole material for the diaphragm structure. In either case, repeated bending of the diaphragm eventually results in diaphragm failure. When PTFE is a single layer, PTFE fatigues earlier than commonly used rubbers such as neoprene, in which case PTFE is the first to be damaged. Diaphragm fatigue can result in the ingress of corrosive substances into the portion of the pump that is not designed to come into contact with corrosive substances. In many cases, corrosive substances can damage pumps. In air driven pumps, corrosive materials often mix with the air stream, which can penetrate into the environment and cause damage or injury. For this reason, expensive containment systems are sometimes employed. When a leak occurs, it has been considered to detect the leak and contain it after the fact. Leak detection chambers with conductivity sensors may be incorporated into the pump itself, but would require a more expensive pump design and an additional diaphragm to separate the additional detection chambers. In US Pat. No. 4,569,634 to Myron Mantell, a metal or graphite detector is embedded inside the diaphragm body. When the diaphragm cracks, graphite contacts the fluid being pumped. This fluid is a conductive fluid, and the resulting change in current is detected. However, the method of this U.S. Pat. No. 4,569,634 requires a mesh, screen or web of conductive fibers, which would make it difficult to manufacture diaphragms with long flex life. Moreover, this patent requires that the medium being pumped be electrically conductive, which limits the utility of the invention. U.S. Pat. No. 4,781,535 to Frawley and Mearns discloses another method in which a continuous circuit wire is supported within a diaphragm. If the diaphragm is damaged, the wire is cut off and the alarm is activated. However, this patent does not place great importance on the wire composition and only discloses metallic or steel. Coexisting with the PTFE diaphragm, the metal tends to damage at a different time than the diaphragm and will not provide a satisfactory warning. SUMMARY OF THE INVENTION Unlike the above mechanism, the present invention provides a conductive strand embedded in a diaphragm that undergoes a change in electrical properties when subjected to stress. The change in conductivity is recorded by an electrical monitoring device electrically connected to the conductive strand. By observing a change in conductivity that deviates from a given criterion, fatigue or wear of the diaphragm can be detected. In a preferred form, thin flexible conductive fibers made of conductive PTFE are embedded within a sheet or molded body of chemical barrier made of PTFE. Here, a PTFE sheet, which is a barrier layer having good bending properties and excellent for chemicals, can be used, and it can be bonded to itself or to a rubber to form a fully functional diaphragm. You can When conductive fibers are laid in a spiral, double spiral, zigzag, or other transverse pattern to cover substantially the entire area of the diaphragm, they exit the diaphragm and connect to the electrical sensing circuit. Can be done. If the diaphragm is cracked, such as fatigue or surface stress cracks, the fiber can detect changes in conductivity by suitable electronic means. In one embodiment, the electrically conductive fibers are made from a material similar to the diaphragm itself, both made from PTFE, and the flex life of the diaphragm can be generally about the same as that of the fibers. DESCRIPTION OF THE FIGURES FIG. 1 shows a three-dimensional view of a typical diaphragm showing electrical leads protruding from the diaphragm. FIG. 2 is a view of the diaphragm from above, showing one configuration of the electrical wiring within the diaphragm (shown in broken lines). FIG. 3 is another view from above and shows another configuration of the electrical wiring. FIG. 4 is yet another top view showing yet another configuration of electric wiring. FIG. 5 shows a cross section of a portion of the pump diaphragm taken along line 5-5 of FIG. FIG. 6 is a graph showing the percentage resistance to linear tension of two conductive wires useful in the present invention. Description of the Invention As used herein, the term "diaphragm" means a flexible element that divides a compartment containing two fluids. In a preferred embodiment, the PTFE or laminate, one layer of which is PTFE, has electrically conductive PTFE fibers embedded within the PTFE layer. The PTFE fiber can be made conductive by filling it with a conductive filler, such as a metal, metal oxide or conductive carbon, or by plating the fiber. FIG. 1 shows a typical diaphragm 10 having holes 13 for attachment to a pump. This diaphragm is a two-layer composite of a PTFE layer 11 and a flexible elastomer layer 12. The lead wire 14 projects from the PTFE layer 11. The leads 14 can be attached to any suitable electronic monitoring means to record the breakdown of electrical circuit mechanics. The fibers are preferably located closer to the back surface than to the front surface of the PTFE layer so that wear will be affected towards the end of its useful life. In one embodiment, the fibers are placed at a depth of 25 mils in a 35 mils (0.89 cm) PTFE diaphragm. This provides a margin of safety (10 mils, 0.025 cm) for the detection of stress cracks and the diaphragm can be replaced before any leak. The fibers are patterned to cover most of the surface two-dimensionally, so that any intrusion or crack in the diaphragm can inevitably lead to fiber damage. One useful pattern is a spiral of fiber pairs shorted together in the center, as shown in FIG. This pattern is useful because the most commonly seen damage to such diaphragms is one or more cracks that originate from the surface of the diaphragm and radially inward in the direction of the rubber lining at the bend of the diaphragm. . Therefore, the spiral pattern of conductive fibers can intersect all radial cracks. An alternative pattern is a side-by-side arrangement as shown in FIG. 4, but other geometric shapes as shown in FIG. 2 are possible. Also, in each case, the fibers pass over the edge of the diaphragm 14 to allow the connection of the electronic circuit and the low voltage power supply. Window comparator circuits are well known and are particularly useful for detecting any change in the increase or decrease in the conductivity of a conductive wire. The present invention is applicable to any flexible diaphragm, but is particularly applicable to a diaphragm which is a composite material of a surface layer of polytetrafluoroethylene (PTFE) and an elastic elastomer layer on the pneumatic side. The PTFE layer is preferably a layer of dense PTFE, either full density PTFE or densified expanded PTFE. An example of maximum density PTFE is thinly cut PTFE. Densified PTFE can be made by compressing porous PTFE. This PTFE material provides a composite diaphragm with an inert outer surface, thereby improving the durability and chemical resistance of the diaphragm. The other surface of the solid PTFE layer is adhered to the elastic elastomeric material. If desired, the other inner surface can be treated with, for example, an alkali naphthalate to increase the surface energy of PTFE and thereby its adhesion to the reinforced flexible composite. The flexible elastomeric layer may be a thermoset elastomer, a thermoplastic elastomer or a thermoplastic polymer having a flexural modulus (ASTM D790-84A) of less than 1400 MPa. Thermosetting elastomers include perfluoroelastomer-containing fluoroelastomers, silicone component-containing fluoroelastomers, nitrile elastomers, acrylic elastomers, olefin diene elastomers, chlorosulfonated polyethylene elastomers, polychloroprene elastomers, butyl elastomers, halogenated butyl elastomers, styrene butadiene elastomers. , A polydiene elastomer or a silicone elastomer. The thermoplastic elastomer may be a copolyetherester elastomer, a polyurethane elastomer, a styrene polyolefin block copolymer elastomer, a polyamide elastomer, an ethylene copolymer elastomer, or the like. Thermoplastics having a flexural modulus of less than 1400 Mpa (ASTM D790-84A) are fluorinated thermoplastics such as copolymers of tetrafluoroethylene, copolymers of vinylidene fluoride, copolymers of chlorotrifluoroethylene, polyolefins or plasticized poly. It can be selected from vinyl chloride and the like. The PTFE layer can be adhered to the elastic elastomer layer by any known means, such as by applying a sufficient amount of heat and pressure. The diaphragm can include ribs made by placing the PTF E / elastomer composite in a mold of the desired shape and applying heat and pressure. Fibers containing conductive fillers are fibers that are preferably carbon filled and are preferably made of expanded porous polytetrafluoroethylene. If desired, the PTFE can be expanded porous PTFE with the structure of nodes interconnected by fibrils as taught in US Pat. Nos. 3,953,566, 4,187,390, 39,62,153. This fiber can be obtained in a number of ways, for example by first making a film of PTFE. This film is prepared by mixing mineral powder with finely powdered PTFE resin and then adding conductive particulate filler to the finely powdered PTFE resin and conductive particulate filler as disclosed in the applicant's US patent application No. 915484. Can be prepared by obtaining a blend of A conductive particulate filler can be mixed with the water-dispersed PTFE resin, and the water-dispersed system can be sheared at high speed or the water-dispersed system can be destabilized with a salt, an acid, polyethyleneimine, or the like. , Co-solidify the mixture. An agglomerate of finely powdered PTFE resin and conductive particles is then produced and dried to a cake. After drying, the cake is broken into pieces, lubricated with mineral spirits and blended to form a formulation. The formulation of any of the above can then be pressed into a billet and subsequently extruded through a die by a ram extruder to give a cohesive extrudate. The cohesive extrudate is then compressed between a pair of calender rolls to reduce its thickness. Mineral spirits are removed from the rolled extrudate by passing the extrudate over a series of heated rollers set above the boiling point of the mineral spirits. The dry extrudate can then be stretch expanded by the general method taught in US Pat. No. 3,953,566 to Gore. This dry cohesive rolled extrudate is first stretched at a temperature of 35-327 ° C. at an elongation rate of more than 10% / sec in the machine direction in the range of 1.2 to 5000 times its original length, preferably It can be stretched rapidly in one axis from 2 to 100 times. This process produces a continuous film of expanded porous PTFE matrix with electrically conductive particulate filler distributed therein. The film can then be slit to the desired width, producing a continuous slitted film fiber having a substantially rectangular cross section. This continuous slitted film fiber can then be stretched in the machine direction by up to 50 times its length by the general stretching method also taught in US Pat. No. 3,543,566 to Gore. This second stretching step increases the strength of the resulting fibers due to the enhanced orientation of the ePTFE matrix. The total level of elongation is a function of the degree to which the PTFE matrix is filled with filler, the higher the percentage of particulate filler, the less continuous slit film fibers are expanded. This continuous slit film fiber can be subjected to temperatures above 342 ° C. for subsequent amorphous fixing steps. This basic procedure is also taught in US Pat. No. 3,543,566 to Gore. When the fibers are sufficiently constrained in the machine direction, the amorphous fastening process further increases the strength and density of the stretched and continuous slitted film fibers. Alternatively, Mortimer. Prior to slitting, a continuous film-like ePTFE matrix can be compressed and densified, for example by use of adjacent nip rollers, as taught by Jr. U.S. Pat. No. 4,985,296. Compaction and densification increase the contact between the individual conductive particulate filler particles, thereby increasing the conductivity of the continuous film-like ePTFE matrix. Multiple layers of cohesive extrudate can also be laminated in the machine direction, bonded together and rolled to form a layered article to enhance the strength of a continuous filmy thin eP TFE matrix. The layered article is then dried, expanded, and densified to produce a higher strength thin ePTFE matrix as compared to a similar thin ePTFE matrix made from a single layer of ePTFE matrix. This thin ePTFE matrix can then be subjected to the amorphous fixation step described above. The continuous film-like thin ePTFE matrix can then be slit to the desired width by a slitter or similar means for cutting the film to produce thin continuous fibers having a substantially rectangular cross section. . After such fibers are made, their conductivity can be increased by densification. Preferably, densification is done by twisting the fibers around their central longitudinal axis. The resulting twisted fibers are denser and appear rounder than similar untwisted fibers. Moreover, twisted fibers exhibit a higher degree of retention of their volume resistivity when subjected to tension, as compared to similar compressed, non-twisted fibers. The twisting may include 1 to 18 twists per cm, with 4 to 11 twists per cm being preferred. The relative advantages of employing twisted conductive fibers over other conductive elements are illustrated in the graph of FIG. FIG. 6 shows the percent resistance change versus linear tension for two different conductor samples, line 26 is a plot for a regular flat filled ePTFE conductive fiber (ie, tension). , Which shows an increase in resistance with increasing force), line 30 is a plot of twisted ePTFE fibers (ie, showing a decrease in resistance with increasing tension). The twisting can be done on a standard fiber twister. By this method, for example, tensile strength of 65000 kPa or more and volume resistivity of 1 × 10 3 Ω · cm or less, tensile strength of 65000 kPa or more and volume resistivity of 10 Ω · cm or less, and tensile strength of 200,000 kPa or more and 1 × 10 3 Fibers can be made with a wide range of bulk tensile strengths and volume resistivities, such as volume resistivities below Ω · cm. Tensile strength can be measured using the method described in ASTM Standard D882-81 (ie, the maximum longitudinal load divided by the original cross-sectional area of the specimen). The tests performed modified the published test methods for the materials tested. ASTM D882-81 is a test on thin plastic sheets, not on fibers. This difference is due to the sample size. Fiber thickness is measured by a snap gauge. Be careful not to crush the sample with the presser foot of the snap gauge to obtain the correct thickness. The width of the sample is determined by measuring with an optical microscope. The samples are tested until they rupture by a device that releases the grip at a constant rate. The force at maximum load of the sample is measured. The volume resistivity of fibers can be measured using the method described in ASTM D257-90 "Standard Test Method for DC Resistance or Conductance of Insulating Materials". To embed the fibers in the PTFE layer of the diaphragm, the fibers are placed on the surface of the PTFE sheet with the desired pattern traces. Then another PTFE sheet is placed on top. The assembly is then placed in a bag or other flexible container and evacuated. The container is then heated and subjected to external pressure to enclose the fibers and bond the two PTFE sheets together (a densified expanded PTFE can be made in the same manner). The resulting product can then be molded into a diaphragm or laminated to a stretch sheet such as neoprene rubber. In use, a current is applied to one of the leads 14 and a current flows through the fiber. The current is monitored and if a break occurs, the current flow is stopped and detected by suitable equipment. In addition, the current can be monitored for electrical changes due to pressure on the diaphragm from the liquid being pumped. This is due to the change in conductivity or impedance due to the pressure temporarily changing the physical dimensions of the fiber. Periodic or constant monitoring of the condition of the diaphragm is possible. For example, the baseline electrical signal can be measured by applying a current through the diaphragm when first worn. After that, by obtaining the signal reading of the second time, it is possible to compare the baseline signal with the signal of the second time and confirm whether or not any change has occurred. Measurement and quantification of changes can then be utilized to chart the use characteristics of the diaphragm. Further, establishing a performance pattern can also predict when the diaphragm is nearing the end of its useful life. Many monitoring techniques can be implemented using these principles. It is possible to establish a network of monitors that can provide immediate feedback on the conditions of multiple parallel pumps, and by providing appropriate conduits and computer controlled valving, the failure of the diaphragm in the first line can be prevented. It can be detected and the flow can be automatically directed to the parallel second line, bypassing the defective diaphragm, without stopping the device at all. A signal can then inform the driver that the defective diaphragm needs to be replaced. Similarly, a compressive and / or tensile responsive conductive fiber can be used to measure the baseline signal prior to mounting the diaphragm. After mounting, changes in the electrical properties of the diaphragm can be used to determine the value of pressure being applied during operation. In this way, the pressure value on the diaphragm can be easily quantified. The electrical monitoring device can take any suitable form that can provide some quantitative measurement of the electrical properties of the conductive fibers. In its preferred form, the electrical device comprises an analog or digital instrument or signal generating device that simply provides a measurement such as conductivity or impedance. [Preparation of Fiber] A conductive fiber was prepared by the following method. A mixture of 85% by weight of finely powdered PTFE resin in an aqueous dispersion and 15% by weight of conductive carbon black (Ketjenblack 300-J obtained from Akzo Chemical) was prepared. First, a slurry of carbon black in deionized water was prepared and stirred using a rotary blade. A finely powdered PTFE water dispersion (AD-059 obtained from ICI America Inc.) was added to co-coagulate carbon black and PTFE. After drying, the agglomerates were mixed with an amount of odorless mineral spirits in a blender to form a blend, the blend was compressed into a billet and the billet was extruded to form a cohesive extrudate. The cohesive extrudate was compressed between calender rolls and then the odorless mineral spirits were evaporated. The dry cohesive rolled extrudate was then expanded at a ratio of 2: 1 at a temperature of 270 ° C. The dry cohesive rolled extrudate was slit to a width of 7.6 mm by passing the dry cohesive rolled extrudate between a set of spaced blades. The slit cohesive extrudate was then subjected to a uniaxial stretch expansion in the machine direction at a ratio of 19.2: 1, followed by an amorphous fixation step by exposing it to temperatures above 340 ° C. EXAMPLE On a PTFE sheet of maximum density of about 2 feet x 3 feet x 10 mils thick, W. L. A continuous spiral pattern of carbon-filled (15 wt%) ePTFE yarn obtained from Gore & Associates, Inc. was manually created and an additional 10 mils of PTFE was placed thereon. The spiral lead portion was protected from contact with PTFE by strips of polyimide film on each side. The assembly was placed between two steel plates and enclosed in a bag made of polyimide film. A means for drawing a vacuum inside the bag was prepared, and the assembly was placed in an autoclave. The bag was evacuated to a vacuum of 29 inches of mercury while applying a pressure of 250 psi into the autoclave chamber. The temperature was raised to about 370 ° C. In this way, the PTFE was sintered together into a single 20 mil sheet with the carbon filled fibers embedded in the center. W. in Elkton, Maryland. L. The sheets were etched by immersion for 30 seconds in an alkaline naphthalate solution marketed under the trademark TETRA-ETCH by Gore & Associates. A 10 inch diameter circular piece containing a spiral with carbon filler was cut from the resulting sheet, brushed with a 30% solution of binder (Chemlok 250 from Lord Corporation, Erie, PA) in toluene and dried. I went to A 4.2 mm thick layer of stretchable polymer (neoprene compound based on neoprene GK, obtained from EI DuPont de Nemours & Co., Wilmington, Del.), Cut to the same dimensions, was coated with PTFE. It was applied to the adhesive which had been previously applied to the surface. The stretchable polymer was adhered to the PTFE surface by placing it in a hotplate press heated to 93 ° C. for about 30 seconds. The resulting preformed product was placed in a diaphragm mold. The mold was placed in a hotplate press and 7580 MPa was applied to the composite at a temperature of 170 ° C. for 20 minutes. The mold was cooled while maintaining it under pressure until it reached 70 ° C. The resulting diaphragm was removed from the mold and all excess material was cut from the final molded product. The molding was then mounted on a Wilden M-4 pump driven by 400 N air pressure against a 127 cm head at a rate of 66 cycles / min. The lead wire was connected to a handheld resistance meter. The resistance was measured to be 0.03 megohms. The diaphragm was run until the resistance spiked to 20 megohms, at which point the pump was disassembled and the diaphragm was inspected. Inspection revealed that the diaphragm had several severe radial creases and partial cuts in the conductive fibers. The pump was operating for 289000 cycles.
【手続補正書】特許法第１８４条の８
【提出日】１９９５年６月２８日
【補正内容】
請求の範囲
１．１層以上の可撓性材料を含んでなり、その１層は緻密化された多孔質ポリ
テトラフルオロエチレンからなり、そのポリテトラフルオロエチレン層はその中
に導電性多孔質ポリテトラフルオロエチレン繊維を埋設し、その繊維の端部は電
気的システムに接続するために露出されている可撓性のポンプダイヤフラム。
２．ダイヤフラムが円形であり、ポリテトラフルオロエチレンの中に渦巻状に
パターンを形成された請求の範囲第１項に記載のダイヤフラム。
３．ダイヤフラムが円形であり、ポリテトラフルオロエチレンに放射状に配置
された線材の形態でその繊維がパターンを形成された請求の範囲第１項に記載の
ダイヤフラム。
４．繊維の導電性が導電性カーボンの粒子によって与えられた請求の範囲第１
項に記載のダイヤフラム。
５．ダイヤフラムの中に導電性繊維を有し、且つその導電性繊維を監視用装置
に接続するための手段を有するダイヤフラムを提供し、
そのダイヤフラムをポンプに装着し、
導電性繊維の端から端までの導電率の変化を測定することによってダイヤ
フラムの状態を監視することを含む、ポンプダイヤフラムの状態の管理方法。[Procedure of Amendment] Article 184-8 of the Patent Act
[Submission date] June 28, 1995
[Correction contents]
The scope of the claims
1.1 layers or more of flexible material, one layer of which is a densified porous poly
Made of tetrafluoroethylene, the polytetrafluoroethylene layer is
Conductive porous polytetrafluoroethylene fiber is embedded in the fiber, and the end of the fiber is electrically charged.
A flexible pump diaphragm exposed to connect to the pneumatic system.
2. The diaphragm is circular and spirally wound in polytetrafluoroethylene.
The diaphragm according to claim 1, which is patterned.
3. Diaphragm is circular and arranged radially on polytetrafluoroethylene
The fiber according to claim 1, wherein the fibers are patterned in the form of a lined wire.
Diaphragm.
4. Claim 1 wherein the conductivity of the fibers is provided by particles of conductive carbon.
The diaphragm according to item.
5. Device that has conductive fibers in the diaphragm and monitors the conductive fibers
Providing a diaphragm having means for connecting to
Attach the diaphragm to the pump,
The diamond is measured by measuring the change in conductivity across the conductive fiber.
A method of managing the condition of a pump diaphragm, including monitoring the condition of the diaphragm.
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(81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，
ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ
Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，Ｂ
Ｒ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ
，ＧＢ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，
ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ
Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＶＮ
(72)発明者 マクグレーガー，ゴードン エル.
アメリカ合衆国，ペンシルバニア 19350,
ランデンバーク，コッパー ビーチ コー
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Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LU, M
C, NL, PT, SE), AT, AU, BB, BG, B
R, BY, CA, CH, CZ, DE, DK, ES, FI
, GB, HU, JP, KP, KR, KZ, LK, LU,
MG, MN, MW, NL, NO, NZ, PL, PT, R
O, RU, SD, SE, SK, UA, VN
(72) Inventor McGlager, Gordon El.
United States of America, Pennsylvania 19350,
Landenburg, Copper Beech Coe
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